一種應用于高速轉軸的無線傳輸技術的設計實現

孫恒坤

（中國飛行試驗研究院 陜西省西安市 710089）

在機械結構中，轉動部件中的轉軸應用廣泛，但在轉軸轉動的過程中，既要承受彎矩也要承受扭矩，同時，還會在轉動過程中，由于軸承摩擦、安裝水平度不夠或者潤滑不良等造成轉軸的溫度升高、摩擦力大等問題。因此，在轉軸轉動工作的過程中就需要對其扭矩、彎矩、溫度等信息進行采集，以此來控制轉速減小對轉軸的損傷，同時也能夠預估轉軸的壽命，及時更換，防范不安全問題的發生。如何有效快速實時的測量轉軸的參數信息成為迫切解決的問題。本文提出了一種應用于高速轉軸的無線傳輸技術，該技術可靠性強，可用于其他旋轉部件的參數測量應用中。

由圖1可知，用于高速轉軸的無線測量系統主要由轉軸參數采集發射部分和射頻信號接收處理部分兩組成。其中，轉軸參數采集發射部分的主要功能是為將傳感器輸出的信號進行處理，然后經過射頻發射部分將參數通過天線發射出去，射頻信號處理部分主要功能是采用接收天線裝置將數字信號碼流進行處理并將有效數據轉換成RS-422 等數據類型的數據發送給后端設備。

1 無線傳輸系統的硬件設計

1.1 無線傳輸系統結構

無線數據傳輸部分硬件結構框圖如圖2所示。在無線數據傳輸的過程中，將傳感器輸出信號經過處理后通過ADC 采集模塊轉換成數字信號，然后經過微處理器和射頻發射模塊進行調制和發射，將射頻信號通過天線發送到射頻信號處理部分的射頻接收模塊和解調模塊中進行濾波解調等過程，將最終的FSK 信號碼流解調出來，發送至主控模塊中進行射頻信號的提取和處理，從FSK 碼流中提取有效的數據，并識別其包含的數據幀格式，完成校驗確認后，送入后端的RS422 數據編碼單元，完成RS422 數據的發送。

1.2 微處理器

其中微處理器選用的是德州儀器（TI）的CC1310作為開發平臺，CC1310 器件在支持多個物理層和RF 標準的平臺中將靈活的超低功耗RF 收發器和強大的48MHz Cortex-M3 微控制器相結合。專用無線控制器（Cortex-M0）處理ROM 或RAM 中存儲的底層RF 協議命令，從而確保超低功耗的靈活度。

CC1310 器件是一款高度集成、真正的單片解決方案，其整合了一套完整的RF 系統及一個片上DC-DC 轉換器。CC1310 原理框圖如圖3所示，可以看出CC1310 由四大部分構成：主CPU 模塊、RF 內核、通用外設和傳感器控制模塊。主CPU 模塊是Coetex-M3內核，里面運行客戶的應用程序、RTOS 和底層驅動；RF 內核包含了射頻部分的所有功能并能夠與主CPU 實現雙向通信；通用外設則包括了各種通用總線（UART、IIC、SPI）、定時器、看門狗等。

1.3 巴倫電路

CC1310 的射頻端是差分結構，差分電路具有高增益、抗電磁干擾、抗電源噪聲、抗地噪聲能力強、抑制偶次諧波等，屬于平衡傳輸線。但是同軸電纜是單端結構，并且屬于不平衡傳輸線，若將其直接連接，則同軸電纜的外皮就有高頻電流流過（依據同軸電纜傳輸理論外皮是不流過電流的），這樣一來，就會影響到天線的輻射。因此，就需要在電纜和芯片之間加入巴倫電路（平衡非平衡轉換器），把流入電纜屏蔽層外部的電流扼制掉。射頻發送模塊設計主要由巴倫電路和一個5 階濾波電路構成。巴倫電路后接一個由LC 構成的2 段π 型低通濾波器，截頻1GHz。射頻發送模塊電路圖如圖4所示。

圖1：無線傳輸系統的方案設計圖

圖2：無線數據傳輸系統硬件結構框圖

圖3：CC1310 原理框圖

圖4：射頻發送模塊電路圖

2 無線傳輸系統的軟件設計

CC1310 軟件編程基于Code Composer Studio 平臺實現，如圖5所示，Code Composer Studio 包含了一整套用于開發和調試嵌入式應用的工具。它包含適用于每個TI 器件的編譯器、源碼編譯器、項目構建環境、調試器、描述器、仿真器以及多種其它功能，CCS（Code Composer Studio）IDE 提供了單個用戶界面，可幫助完成應用開發流程的每個步驟。

CC1310 動部件采集發射軟件流程圖如圖6所示，可以看出軟件在運行時主要完成初始化與參數賦值、參數調整、采集發送三個階段。初始化階段完成了GPIO、SPI 總線、內部Flash、RF 內核等的初始化。然后，從Flash 中讀出上一次掉電前系統保存的關鍵參數（頻點、增益、零位、發射功率、采樣率等）并把其依次賦值給各種外設，完成參數的配置。隨后系統會根據靜部件接收機選擇開關的使能情況判斷是否進入參數調整階段。在參數調整循環中可以對頻點（多頻點連續可調）、增益（四檔可調）、采樣率、發射功率（多檔可調）進行調整并且可以完成調零指令。如果系統檢測到靜部件接收機的開關使能工作模式時則會進入采集發送子函數，采集發送子函數根據所設置的采樣率產生定時器中斷，在中斷子程序內完成模數轉換、隊列調整和射頻發送功能。

3 試驗與驗證

應用于轉軸的無線測量系統在超轉試驗的表現中穩定可靠性強。在超轉試驗的環境條件下，轉軸高達4000 轉/分鐘的參數經過了通電達數十個小時的實時測試過程，實驗結果表明該系統工作性能穩定。

4 總結

轉軸在轉動部件中屬于關鍵環節，在轉動部件的工作條件下需要測量轉軸的扭矩、彎矩、溫度等參數信息，這對評估轉軸的工作狀態和使用壽命都有重要的作用。但由于轉軸的轉動特性使得測量必須選用無線測量方案來進行，因此，本文提出了一種應用于高速轉軸的無線測量技術，同時該技術成功應用于某轉軸的測量設計工作中，介紹了該無線測量系統的方案，還詳細闡述了硬件結構，特別是主控制部分電路和射頻發射模塊電路，描述了與硬件結構配套的軟件設計架構和思路，軟硬結合最終應用于轉軸的無線測量系統經過了超轉試驗，并且在4000 轉/分鐘的惡劣條件下工作性能穩定，可靠性強，可應用于其他轉動部件的測量系統應用中。

圖5：CC1310 軟件編程平臺

圖6：射頻發射嵌入式軟件流程圖